Die Kraft, die eine (elektrische) Ladung durch einen Leiter transportiert, entsteht durch die Potentialdifferenz, dass auch als (elektrische) Spannung bezeichnet wird. Jede Ladung erzeugt ein Feld (ähnlich einer Masse) und bewirkt so ein elektrisches Feld, dass in alle Richtungen gerichtet ist, wofür folgende Formel verwendet werden kann:
Damit in einem Medium eine elektrische Leitung stattfinden kann, müssen frei bewegliche Ladungsträger vorhanden sein. Darüber hinaus muss zwischen bzw. in dem Medium ein elektrisches Feld vorhanden sein. Dies erreicht man durch Anlegen einer elektrischen Spannung an dem Medium. Der Minus- bzw. Pluspol zieht die entsprechenden Ladungsträger an, die sich durch das Medium bewegen.
Elektrische Leitung in Gasen
Gase sind in der Regel keine elektrischen Leiter, sondern sogar gute Isolatoren. Dies liegt daran, dass Gase keine (oder kaum) Ladungsträger (die den elektrischen Strom transportieren können) enthalten. Mit Hilfe von Strahlung oder starker Erwärmung kann man die neutralen (=ungeladenen) Gasteilchen “ionisieren”. Sind Gasteilchen einer ionisierenden Strahlung ausgesetzt oder starker Erwärmung, so entstehen aus den neutralen Gasteilchen positiv geladene Ionen und negativ geladene Elektronen. Mit Hilfe dieser Ladungsträger kann elektrischer Strom durch das Gas geleitet werden.
Elektrische Leitung in Flüssigkeiten
Ob eine Flüssigkeit den elektrischen Strom leitet, hängt von zwei Bedingungen ab:
Liegen beispielsweise in einer Flüssigkeit nur ungeladene Teilchen vor (oder wenige Ladungsträger), so leiten diese Flüssigkeiten den Strom sehr schlecht. Die elektrische Leitfähigkeit dieser Flüssigkeiten ist sehr gering. Ist eine Flüssigkeit hingegen elektrisch leitfähig, wird sie als Elektrolyt bezeichnet. Legt man an einen Elektrolyten eine (geringe) Spannung an, so wandern die negativ geladenen Teilchen zum Pluspol und die positiv geladenen Teilchen wandern zum Minuspol (dies gilt für die allermeisten wässrigen Salzlösungen). Dabei bewegen sich die Ionen mit einer Geschwindigkeit, die mit der elektrischen Feldstärke E zusammenhängt. Die Geschwindigkeit v (wird auch als Driftgeschwindigkeit bezeichnet) gilt: v = m ·E (der Proportionalitätsfaktor m wird auch als Ionenbeweglichkeit bezeichnet).
Anfangs haben wir erwähnt, dass elektrische Ladungen durch die Entstehung einer Potentialdifferenz bewegt werden (Bildung eines elektrischen Feldes). Nun fragst du dich vielleicht, warum dann der Strom sich nicht immer schneller bewegen müsste (es wirkt eine konstante Kraft, diese müsste die Elektronen beschleunigen, wie in den Newtonschen Gesetzen gelernt). Die Antwort ist relativ einfach und hat nichts mit Physik zu tun, sondern “realen” Bedingungen. Die Elektronen bzw. Ionen erfahren zwar eine konstante Kraft, allerdings müssen diese Teilchen durch die Lösung “wandern”, daher kommt es zu einer Wechselwirkung mit anderen Teilchen in der Lösung. Daher bewegen sich die Ionen “nur” mit einer “mittleren” Geschwindigkeit.
Elektrische Leitung in Metallen
Alle Metalle sind elektrisch leitfähig und in der Regel sehr gute elektrische Leiter. Dies resultiert aus ihrem Aufbau bzw. der Bindung (Metallbindung) zwischen den einzelnen Metallatomen zu einem Metall. Die Metallbindung wird (einfach gesagt) aus positiv geladenen Metallatomrümpfen (die Metalle haben ihre Valenzelektronen abgegeben und den frei beweglichen Elektronen aufgebaut. Die Elektronen sind im gesamten Metallgitter frei beweglich, daher ist ein Metall auch ein so guter Leiter.
Elektrische Leitung in Supraleitern
Eine spezielle Art von Leiter ist der Supraleiter. Die Entdeckung geht auf den Beginn des 20. Jhd. zurück. Dabei wurde festgestellt, dass bei Quecksilber nahe am absoluten Nullpunkt (-273°C) der (spezifische) Widerstand nahezu Null ist (dies ist auch in Einklang mit dem einfachen Teilchenmodell, je wärmer ein Körper ist, umso mehr schwingen die Stoffteilchen in diesem Körper und behindern ein Teilchen, dass durch den Körper durchdringen will).
Da der elektrische Widerstand im supraleitenden Zustand nahezu Null ist, lässt sich eine nahezu verlustlose Leitung von elektrischem Strom erreichen. Allerdings liegen die Temperaturen (für die Wirkung der Supraleitfähigkeit) selbst bei den sogenannten Hochtemperatursupraleitern bei -150°C. Daher ist die technische und wirtschaftliche Nutzung von Supraleitern noch nicht ausgereift.
Die Kraft, die eine (elektrische) Ladung durch einen Leiter transportiert, entsteht durch die Potentialdifferenz, dass auch als (elektrische) Spannung bezeichnet wird. Jede Ladung erzeugt ein Feld (ähnlich einer Masse) und bewirkt so ein elektrisches Feld, dass in alle Richtungen gerichtet ist, wofür folgende Formel verwendet werden kann:
Damit in einem Medium eine elektrische Leitung stattfinden kann, müssen frei bewegliche Ladungsträger vorhanden sein. Darüber hinaus muss zwischen bzw. in dem Medium ein elektrisches Feld vorhanden sein. Dies erreicht man durch Anlegen einer elektrischen Spannung an dem Medium. Der Minus- bzw. Pluspol zieht die entsprechenden Ladungsträger an, die sich durch das Medium bewegen.
Elektrische Leitung in Gasen
Gase sind in der Regel keine elektrischen Leiter, sondern sogar gute Isolatoren. Dies liegt daran, dass Gase keine (oder kaum) Ladungsträger (die den elektrischen Strom transportieren können) enthalten. Mit Hilfe von Strahlung oder starker Erwärmung kann man die neutralen (=ungeladenen) Gasteilchen “ionisieren”. Sind Gasteilchen einer ionisierenden Strahlung ausgesetzt oder starker Erwärmung, so entstehen aus den neutralen Gasteilchen positiv geladene Ionen und negativ geladene Elektronen. Mit Hilfe dieser Ladungsträger kann elektrischer Strom durch das Gas geleitet werden.
Elektrische Leitung in Flüssigkeiten
Ob eine Flüssigkeit den elektrischen Strom leitet, hängt von zwei Bedingungen ab:
Liegen beispielsweise in einer Flüssigkeit nur ungeladene Teilchen vor (oder wenige Ladungsträger), so leiten diese Flüssigkeiten den Strom sehr schlecht. Die elektrische Leitfähigkeit dieser Flüssigkeiten ist sehr gering. Ist eine Flüssigkeit hingegen elektrisch leitfähig, wird sie als Elektrolyt bezeichnet. Legt man an einen Elektrolyten eine (geringe) Spannung an, so wandern die negativ geladenen Teilchen zum Pluspol und die positiv geladenen Teilchen wandern zum Minuspol (dies gilt für die allermeisten wässrigen Salzlösungen). Dabei bewegen sich die Ionen mit einer Geschwindigkeit, die mit der elektrischen Feldstärke E zusammenhängt. Die Geschwindigkeit v (wird auch als Driftgeschwindigkeit bezeichnet) gilt: v = m ·E (der Proportionalitätsfaktor m wird auch als Ionenbeweglichkeit bezeichnet).
Anfangs haben wir erwähnt, dass elektrische Ladungen durch die Entstehung einer Potentialdifferenz bewegt werden (Bildung eines elektrischen Feldes). Nun fragst du dich vielleicht, warum dann der Strom sich nicht immer schneller bewegen müsste (es wirkt eine konstante Kraft, diese müsste die Elektronen beschleunigen, wie in den Newtonschen Gesetzen gelernt). Die Antwort ist relativ einfach und hat nichts mit Physik zu tun, sondern “realen” Bedingungen. Die Elektronen bzw. Ionen erfahren zwar eine konstante Kraft, allerdings müssen diese Teilchen durch die Lösung “wandern”, daher kommt es zu einer Wechselwirkung mit anderen Teilchen in der Lösung. Daher bewegen sich die Ionen “nur” mit einer “mittleren” Geschwindigkeit.
Elektrische Leitung in Metallen
Alle Metalle sind elektrisch leitfähig und in der Regel sehr gute elektrische Leiter. Dies resultiert aus ihrem Aufbau bzw. der Bindung (Metallbindung) zwischen den einzelnen Metallatomen zu einem Metall. Die Metallbindung wird (einfach gesagt) aus positiv geladenen Metallatomrümpfen (die Metalle haben ihre Valenzelektronen abgegeben und den frei beweglichen Elektronen aufgebaut. Die Elektronen sind im gesamten Metallgitter frei beweglich, daher ist ein Metall auch ein so guter Leiter.
Elektrische Leitung in Supraleitern
Eine spezielle Art von Leiter ist der Supraleiter. Die Entdeckung geht auf den Beginn des 20. Jhd. zurück. Dabei wurde festgestellt, dass bei Quecksilber nahe am absoluten Nullpunkt (-273°C) der (spezifische) Widerstand nahezu Null ist (dies ist auch in Einklang mit dem einfachen Teilchenmodell, je wärmer ein Körper ist, umso mehr schwingen die Stoffteilchen in diesem Körper und behindern ein Teilchen, dass durch den Körper durchdringen will).
Da der elektrische Widerstand im supraleitenden Zustand nahezu Null ist, lässt sich eine nahezu verlustlose Leitung von elektrischem Strom erreichen. Allerdings liegen die Temperaturen (für die Wirkung der Supraleitfähigkeit) selbst bei den sogenannten Hochtemperatursupraleitern bei -150°C. Daher ist die technische und wirtschaftliche Nutzung von Supraleitern noch nicht ausgereift.